Khuếch đại sinh học là gì: chất độc dồn lên đỉnh chuỗi thức ăn

Khuếch đại sinh học là hiện tượng nồng độ một chất độc bền vững tăng dần qua từng bậc của chuỗi thức ăn, nên con vật ở đỉnh chuỗi mang lượng chất độc cao gấp hàng nghìn, thậm chí hàng triệu lần so với nồng độ trong nước hay đất. Chất dễ bị khuếch đại là chất khó phân huỷ, tan trong mỡ và khó đào thải, như thuốc trừ sâu DDT, hợp chất PCB và thuỷ ngân hữu cơ. Vụ chim săn mồi đẻ trứng vỏ mỏng vì DDT và bệnh Minamata ở Nhật Bản là hai ví dụ kinh điển.

Cơ chế: vì sao chất độc dồn lên đỉnh

Nhớ lại tháp năng lượng: con ăn ở bậc trên phải ăn rất nhiều sinh khối ở bậc dưới mới đủ năng lượng, vì phần lớn năng lượng bị đốt và mất đi. Nhưng chất độc thì không bị đốt. Nếu nó tan trong mỡ và cơ thể không thải ra được, nó nằm lại trong mô mỡ. Mỗi bữa ăn, con săn mồi thu thêm toàn bộ lượng độc của con mồi. Ăn cả nghìn con mồi trong đời, nó mang lượng độc của cả nghìn con.

Ba điều kiện để một chất bị khuếch đại:

• Bền: không bị ánh sáng, vi khuẩn hay cơ thể phân huỷ nhanh.
• Tan trong mỡ, không tan trong nước: nên không theo nước tiểu ra ngoài mà tích trong mô mỡ, gan, não.
• Có hoạt tính sinh học: ở nồng độ cao gây hại cho thần kinh, sinh sản, miễn dịch.

Tích luỹ sinh học và khuếch đại sinh học khác nhau thế nào

Tích luỹ sinh học là chuyện xảy ra trong một cá thể: con cá sống lâu trong nước nhiễm độc, lượng độc trong người nó tăng dần theo năm tháng. Khuếch đại sinh học là chuyện xảy ra giữa các bậc: nồng độ ở bậc sau cao hơn bậc trước. Hai hiện tượng thường đi cùng nhau, nhưng đề thi hay hỏi để phân biệt.

Hồ Clear Lake: bài học đầu tiên

Hồ Clear Lake ở California (Mỹ) có một loài muỗi nhỏ không đốt người nhưng bay thành đám, làm phiền khách du lịch. Từ năm 1949, người ta phun chất DDD (một họ hàng của DDT) xuống hồ, ở nồng độ rất loãng, tính ra khoảng một phần năm mươi triệu. Muỗi giảm. Nhưng sau những đợt phun tiếp theo, nhiều con chim lặn thuộc họ le hôi chết bên hồ, và số chim làm tổ ở đó sụt mạnh.

Khi phân tích, các nhà khoa học tìm thấy DDD trong sinh vật phù du, cá ăn tạp, cá ăn thịt, và ở mô mỡ chim lặn với nồng độ cao gấp hàng chục nghìn lần nồng độ trong nước. Rachel Carson kể lại vụ này trong cuốn Mùa xuân im lặng (1962), cuốn sách đưa chuyện thuốc trừ sâu và chuỗi thức ăn ra trước công chúng.

DDT và những quả trứng vỏ mỏng

DDT được dùng rộng rãi từ thập niên 1940 để diệt muỗi truyền sốt rét và sâu hại mùa màng. Rẻ, hiệu quả, ít độc tức thời với người — nó được coi là "thần dược". Rồi tới thập niên 1950–1960, người ta nhận thấy chim săn mồi giảm mạnh ở Bắc Mỹ và châu Âu: chim cắt lớn, đại bàng đầu trắng, ó cá, bồ nông nâu.

Năm 1967, nhà nghiên cứu Derek Ratcliffe ở Anh đo hàng trăm quả trứng chim cắt lớn trong bộ sưu tập bảo tàng và nhận ra vỏ trứng mỏng đi rõ rệt từ khoảng cuối thập niên 1940, đúng lúc DDT bắt đầu được dùng. DDE — chất DDT chuyển hoá thành trong cơ thể — làm rối loạn việc chuyển canxi vào vỏ trứng. Chim mẹ ấp, trứng vỡ dưới sức nặng của mình.

Cùng năm 1967, nhóm của George Woodwell công bố số liệu từ một đầm lầy ven biển Long Island (New York), cho thấy rõ từng bậc:

Từ nước tới chim, nồng độ tăng gần một triệu lần. Mỹ cấm dùng DDT trong nông nghiệp năm 1972; nhiều nước làm theo. Công ước Stockholm về các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân huỷ (ký năm 2001) hạn chế DDT trên phạm vi toàn cầu, chỉ cho phép dùng có kiểm soát để phòng sốt rét ở những nơi cần. Sau lệnh cấm, đại bàng đầu trắng, chim cắt lớn, bồ nông nâu ở Mỹ hồi phục dần — một trong những câu chuyện phục hồi đẹp nhất.

Minamata: khi con người đứng ở đỉnh chuỗi

Ở thị trấn ven biển Minamata (tỉnh Kumamoto, Nhật Bản), một nhà máy hoá chất xả nước thải ra vịnh trong nhiều năm. Nước thải chứa metyl thuỷ ngân, sinh ra trong quá trình sản xuất axetanđehit — dạng thuỷ ngân hữu cơ rất dễ thấm vào sinh vật. Nó đi qua phù du, cá nhỏ, cá lớn, rồi tới mèo và người dân làng chài ăn cá hằng ngày.

Mèo trong làng lên cơn co giật trước, rồi tới người: run tay, nói khó, mất thăng bằng, trẻ sinh ra bị tổn thương não. Bệnh được chính thức ghi nhận năm 1956. Hàng nghìn người về sau được công nhận là bệnh nhân Minamata. Bài học từ đây dẫn tới Công ước Minamata về thuỷ ngân, thông qua năm 2013.

Hôm nay: thuỷ ngân trong cá và PCB trong cá voi

Ngay cả khi không có nhà máy xả thải gần đó, thuỷ ngân từ đốt than, khai khoáng vẫn bay khắp khí quyển, rơi xuống biển và đi vào chuỗi thức ăn. Vì khuếch đại sinh học, cá dữ lớn, sống lâu ở đỉnh chuỗi (cá kiếm, cá mập, cá thu vua, cá ngừ mắt to) thường có hàm lượng thuỷ ngân cao hơn cá nhỏ ăn phù du (cá cơm, cá trích, cá mòi). Nhiều cơ quan y tế khuyên phụ nữ mang thai, đang cho con bú và trẻ nhỏ hạn chế các loại cá lớn này, ưu tiên cá nhỏ. Lời khuyên cụ thể cho từng người nên hỏi bác sĩ.

PCB — nhóm hoá chất từng dùng trong biến thế điện, sơn — bị cấm sản xuất từ thập niên 1970–1980 nhưng vẫn tồn tại trong môi trường. Cá voi sát thủ, đứng ở đỉnh chuỗi biển và sống lâu, nằm trong số những động vật nhiễm PCB nặng nhất. Một nghiên cứu năm 2018 cảnh báo khoảng một nửa số quần thể cá voi sát thủ trên thế giới có nguy cơ suy giảm nghiêm trọng vì PCB làm giảm sinh sản và miễn dịch. Con cái truyền một phần PCB sang con đầu lòng qua sữa.

Chất nào không bị khuếch đại

Không phải chất ô nhiễm nào cũng dồn lên đỉnh. Chất tan tốt trong nước (nhiều loại muối, một số thuốc trừ sâu thế hệ mới) được cơ thể thải qua nước tiểu nên không tích luỹ nhiều. Chất bị phân huỷ nhanh cũng không kịp dồn lên. Với vi nhựa, hiện bằng chứng cho thấy chúng tích luỹ ở nhiều sinh vật, nhưng việc chúng có khuếch đại mạnh qua các bậc như DDT hay không thì chưa rõ — các nghiên cứu còn đang tiếp diễn. Gọi đúng tên hiện tượng giúp tránh hoảng sợ sai chỗ.

Góc nhìn hôm nay: hiểu để chọn

Khuếch đại sinh học giải thích vì sao một lượng nhỏ hoá chất đổ ra sông, ra ruộng có thể quay lại bàn ăn ở nồng độ cao hơn nhiều. Ở cấp gia đình, những việc nhỏ có ý nghĩa: không đổ dầu nhớt, thuốc trừ sâu thừa, pin, bóng đèn huỳnh quang (chứa thuỷ ngân) ra cống rãnh; đọc kỹ nhãn và liều lượng khi dùng thuốc bảo vệ thực vật.

Sách nên đọc: Mùa xuân im lặng của Rachel Carson (đã có bản dịch tiếng Việt); chương Ô nhiễm trong Fundamentals of Ecology của Odum. Ở Nhật, Bảo tàng Bệnh Minamata của thành phố Minamata ghi lại toàn bộ câu chuyện, có tài liệu tiếng Anh.